PRACE, het Partnership for Advanced Computing in Europe, is druk bezig met onderzoek naar de beste technieken om een multipetaflops-computer te bouwen. Dat is een supercomputer die een rekenkracht heeft die wordt uitgedrukt in petaflops, ofwel 10 tot de macht 15 berekeningen met drijvende komma per seconde. “Er wordt daarbij niet alleen gekeken naar nieuwe hardware, maar ook naar het gebruik van een groot aantal rekenkernen”, zegt Aad van de Steen van de Stichting Nationale Supercomputer Faciliteiten (NCF). “We houden al rekening met systemen die over tienduizend kernen of meer beschikken. Dan wordt het een hele kunst om je programma’s daar zo efficiënt mogelijk over te verdelen.”

Het gebruik van een groot aantal rekenkernen heeft het voordeel dat de afzonderlijke cores niet heel erg snel hoeven te zijn, omdat ze samen de rekenklus toch in een korte tijd kunnen klaren. Een minder snelle processor botst niet snel op de memory wall. “Daarmee bedoelen we de discrepantie tussen snelheid van processors en snelheid van de geheugens. Bij rekenchips merken we een jaarlijkse versnelling van 20 tot 30 procent, bij de geheugens mogen we al blij zijn als er een snelheidswinst van 6 procent per jaar wordt gerealiseerd”, aldus Van der Steen.

In 1980 waren processors en geheugens nagenoeg even snel. De kloof tussen de snelheden van processor en geheugen is steeds groter geworden, zoals nu zichtbaar is bij hardware met een Nehalem X5570-chip, die loopt op een frequentie van 2,93 GHz. Als zo’n systeem wordt voorzien van het modernste geheugen, een DDR3-module met een bus van 1133 MHz, dan is er altijd nog sprake van een factor 11 verschil. DDR-geheugen is in staat om per klokpuls twee operaties uit te voeren.

“De huidige geheugentechnieken hebben hun grenzen wel bereikt; aan bijvoorbeeld dynamische geheugenchips kan niet echt veel meer gedaan worden om ze sneller te maken. Nieuwe technologie moet uitkomst bieden en op dat vlak zien we twee veelbelovende kandidaten opdoemen. Dat zijn MRAM en Z-RAM. MRAM, ofwel magnetoresistieve RAM, slaat bits op in zeer kleine magneetjes, die door een extern magneetveld kunnen worden beïnvloed. De bits zijn niet-vluchtig, de geheugens behouden hun informatie na het wegvallen van de voedingsspanning. Bij dynamische RAM’s vervliegt de informatie wel nadat de voedingsspanning is afgeschakeld. Tevens moet de informatie in een DRAM periodiek worden ververst, wat energie kost.

Z-RAM is een exotisch geheugenelement dat eigenlijk bij toeval is ontdekt. Het is een bijproduct van de ontwikkeling van silicon-on-insulator (SoI), waar schakelingen worden aangebracht op een niet-geleidende onderlaag, in tegenstelling tot traditionele circuits die op een silicium substraat worden aangebracht. Bij SoI wordt meestal gebruikgemaakt van een glazen onderlaag. Bij het maken van transistors volgens deze techniek werd soms een vreemd verschijnsel waargenomen, namelijk dat tussen de transistor en de onderlaag een soort condensator werd gevormd. Bij gewone schakelingen is zo’n condensator een ongewenst verschijnsel, omdat het de snelheid van de chip nadelig beïnvloedt.

Z-RAM is de afkorting van Zero Capacitor RAM, ofwel geheugen zonder condensator, waarmee wordt bedoeld dat er geen condensator is gemaakt maar dat de werking van zo’n condensator wel optreedt. Het blijkt mogelijk om die condensator te gebruiken voor de opslag van lading, waarmee een bit kan worden gerepresenteerd. Zo kan een geheugen worden gebouwd dat per bit slechts één transistor nodig heeft. Dit type geheugens is zeer snel en bovendien een stuk kleiner dan traditionele geheugens. Een statische geheugencel (SRAM) heeft bijvoorbeeld zes transistors nodig voor elke bit. Van der Steen: “Uit eerste proeven is al gebleken dat een Z-RAM-schakeling sneller werkt dan een SRAM. Vooral Hynix en AMD experimenteren met de productie van Z-RAM’s. Daarvoor moet een SoI-productiestraat worden gebouwd en zit de fabrikant met een aantal bijkomende problemen. Zoals: hoe maak ik de productietechniek consistent en hoe zit het met de duurzaamheid van de gemaakte geheugens? Zoals de situatie er nu voor staat, zullen de eerste Z-RAM’s in de loop van 2011 gemaakt kunnen worden.”



Z-RAM is niet het enige paard waar de industrie op wedt. Er wordt ook gekeken naar grafeen, een bijzondere vorm van koolstof. “En dan hebben we het over Graphene Nano Ribbons (GNR), een plakje koolstof van 1 atoom dikte, dat afhankelijk van de afmetingen en de vorm andere eigenschapen heeft. In de ene configuratie gedraagt dit materiaal zich als een geleider, een andere vorm laat halfgeleidende eigenschappen zien.”De zoektocht naar snellere geheugens waaiert als het ware uit. Ook met conventionele technieken wordt verder geëxperimenteerd. Van der Steen: “Een mooi voorbeeld is 3D-geheugen, wat inhoudt dat geheugencellen ruimtelijk worden gestapeld. Zo’n geheugencomplex is beduidend sneller dan een gewoon geheugen dat als tweedimensionaal wordt aangemerkt. Bij gewone applicaties werkt een 3D-geheugen tweeënhalf tot drie keer sneller, zo is uit tests al gebleken.”